Схемотехника аналоговых электронных устройств (стр. 4 )

(7.3)

Согласно выражению (7.3) можно построить график переходной характеристики в области малых времен (рис.7.4).

Рис.7.4. График переходной характеристики в области малых времен.

Основным количественным параметром импульсного усилителя в области малых времен является время установления, в течение кото­рого возрастает от уровня 0,1 до 0,9. Определим время установления:

(7.4)

Из выражения (7.4) видно, что время установления определяет­ся элементами C0 и . Для уменьшения времени установления необ­ходимо понизить номинал паразитной емкости и сопротивления нагрузки. В последнем случае уменьшается коэффициент усиления.

Время установления зависит от верхней гра­ничной частоты:

(7.5)

Время установления многокаскадного усилителя определяется выражением:

(7.6)

Если известны количество каскадов и общее время установле­ния, то легко определить время установления одного каскада

(7.7)

 

7.3. Анализ импульсного усилителя в области больших времен

Область больших времен - эта область низких частот. Низкими частотами формируется плоская вершина импульса. В области больших времен влиянием Cо можно пренебречь, так как Cо зарядится мгновенно (за время ) и за время длительности импульса τи не будет оказывать своего влияния. Поэтому эквивалентная схема импульсного усилителя в области больших времен имеет вид, рис.7.5.

Рис.7.5. Эквивалентная схема ИУ в области больших времен.

Емкость С1 имеет большой номинал, поэтому заряжается медленно. По мере заряда С1 напряжение UС1 возрастает, вследствие чего уменьшается . Таким образом, за счет процесса заряда емкости С1 происходит спад плоской вершины импульса на выходе усилителя.

Рассмотрим количественный анализ переходной характеристики в области больших времен. Считаем, что на вход усилителя поступает единичный импульс (7.1). В момент времени:

1.t=0; XС1=0; UС1=0 выходное напряжение определяется:

, где R=RэR1/ (Rэ+ R1)

2. t > 0; где

По условию анализа Uвх=1, следовательно, переходная характеристика в облости больших времен определяется выражением:

(7. 8)

Нормированная переходная характеристика в области больших времен при подаче на вход единичного импульса Uвх =1;

(7.9)

Согласно выражению (7.9) можно построить график переходной характеристики в области больших времен, рис.7.6

Рис.7.6. График переходной характеристики ИУ в области больших времен

За счет влияния переходная характеристика имеет спад плоской вершины: абсолютный спад Δсп =h(0)-h(tи), относительный спад:

(7.10)

Применив разложение в ряд Маклорена (так как ) и ограничиваясь первыми двумя членами ряда, получим:

(7.11)

Из выражения (7.11) видно, что для улучшения переходной характеристики в области больших времен , т. е. для уменьшения , необходимо увеличитьtн, т. е. увиличить номинал С1.

В многокаскадных усилителях общий спад равен

Следовательно, спад плоской вершины одного каскада можно определить выражением 1=общ/n, где n-количество каскадов.

Лекция №8

Цепи коррекций в импульсных и широкополосных усилителях

8.1. Назначение корректирующих цепей

Корректирующие цепи в импульсных и широкополосных усилителях служат для улучшения частотных и переходных характеристик. Различают корректирующие цепи в области высоких частот и в области нижних частот. Корректирующие цепи в области высоких частот предназначены для увеличения верхней граничной частоты и уменьшения времени установления. Корректирующие цепи в области нижних частот служат для уменьшения нижней граничной частоты и спада плоской вершины.

8.2. Простая индуктивная высокочастотная коррекция

Рассмотрим прин­ципиальную схему усилителя с индуктивной высокочастотной коррекцией, приведенную на рис.8.1.

Рис.8.1.Схема индуктивной высокочастотной коррекции

Корректирующим элементом является индуктивность L, включен­ная последовательно с сопротивлением нагрузки . Индуктивность L выбирается настолько малой, что ее влиянием в области низких и средних частот можно пренебречь. На высоких частотах индуктивное сопротивление XL=jωL возрастает, вследствие чего увеличивается выходное напряжение и коэффициент усиления. Построим эквивалентную схему усилителя с индуктивной коррекцией в области высоких частот, рис.8.2.

Рис.8.2. Эквивалентная схема с ВЧ коррекцией.

При построении эквивалентной схемы влиянием и R1 можно пренебречь, поскольку в импульсных усилителях выполняются условия: и . Индуктивность L входит в выходную цепь парал­лельно емкости С0, в результате чего проводимость jωC0 частично компенсируется проводимостью этой индуктивной ветви. Принцип коррекции амплитудно-частотной характеристики при индуктивной вы­сокочастотной коррекции можно объяснить следующим образом. Корректирующая индуктивность L, вводимая последовательно с резистором , образует в эквивалентной схеме каскада для вер­хних частот параллельный резонансный контур с емкостью C0. На резонансной частоте сопротивление контура увеличивается, за счет чего происходит подъем частотной характеристики в облас­ти верхних частот, рис.8.3,а.

Рис.8.3. Характеристики при индуктив­ной коррекции:

а-частотная, б-переходная.

Причем подъем частотной характеристики зависит от добротности контура, при большой добротности на АЧХ появляется резонансный выброс, что является нежелательным явлением. Нас интересует оптимальная, равномерная частотная характеристика.

Улучшение переходной характеристики при индуктив­ной коррекции в импульсных усилителях объясняется следующим образом (рис. 8.3,б): в момент подачи скачка напряжения индуктивность имеет бесконечно большое сопротивление, в связи с этим весь ток SUвх протекает по цепи Cо, и в результате этого ускоряется заряд этой емкости Cо.

Рассмотрим количественный анализ индуктивной высокочастотной коррекции:

Знаменатель последнего выражения приводим к общему знаменателю . Вторые члены числителя и знаменателя умножаем и делим соответсвенно на и .

(8.1)

где - коэффициент коррекции, равный квадрату добротности контура, - нормированная частота. Из выра­жения (8.1) модуль частотной характеристики запишется в виде:

(8.2)

показал, что оптимальная частотная характеристика соответствует когда коэффициент при х2 числителя и знаменателя равны: m2=1+2m. Решив это квадратное уравнение получем оптимальный коэффициент коррекции . Вер­хнюю граничную частоту и площадь усиления с простой высокочас­тотной коррекцией можно выразить:

(8.3)

где - коэффициент, определяющий выигрыш за счет коррекции. Например, при m=0,41 этот выигрыш равен 1,72. Высокочастотная коррекция уве­личивает площадь усиления каскада, и, соответственно, повышает его коэффициент усиления при заданной полосе усиливаемых частот, что позволяет уменьшить количество каскадов в усилителе.

Оптимальная (без выбросов) переходная характеристика усили­теля получается при m=0,25. При дальнейшем увеличении m в пере­ходной характеристике появляются выбросы переднего фронта. В частности, при значении коэффициента коррекции m=0,41, которому соответствует опти­мальная амплитудно-частотная характеристика, выброс имеет высоту около 2,5%.

8.3. Эмиттерная высокочастотная коррекция

В усилителях на биплоярных транзисторах широкое применение находит эмиттерная высокочастотная коррекция. Биполярные транзисторы по сравнению с полевыми имеют малое значение входного сопротивления, которая шунтирует выход предыдущего каскада. По этой причине индуктивная коррекция дает меньший выигрыш.

В схеме, приведенной на рис.8.4, в цепи эмиттера парал­лельно вместо шунтирующей емкости Сэ включают корректирующий конденсатор Ск небольшой емкости.

Рис.8.4. Схема эмиттерной высокочастотной коррекции

Следовательно, с уменьшением частоты сопротивление этой емкости возрастает, увеличивается падение напряжения на ней, которое последовательно с входным напряжением поступает на входные электроды. Таким образом, в схеме возникает отрицательная обратная связь на низких и средних частотах. С увеличением частоты глубина отрицательной об­ратной связи уменьшается, увеличивается коэффициент усиления и, таким образом, компенсируется влияние паразитной емкости . При определенном соотноше­нии и каскад с эмиттерной коррекцией имеет частотную харак­теристику с выигрышем в площади усиления в 1,5¸1,7 раза.

8.4. Низкочастотная коррекция

Для расширения полосы пропускания усилительного каскада в сторону низких частот, т. е. для улучшения его частотной характе­ристики на низких частотах и пе­реходной характеристики каскада в области больших времен можно использовать цепочку развязывающего фильтра, рис.8.5.

Рис.8.5. Низкочастотная коррекция:а-принципиальная схема; б-эквивалентная схема.

При рассмотрении частотной характеристики принцип действия низкочастотной коррекции можно объяснить следующим образом: при уменьшении частоты увеличивается сопротивление нагрузки в выходной цепи за счет увеличения сопротивления емкости . В результате чего коэф­фициент усиления с понижением частоты возрастает, это компенси­рует влияние емкости С1. Переходная характеристика в области больших времен улучшается также за счет влияния . По мере заря­да емкости напряжение, снимаемое с общей нагрузки, экспоненциально возрастает. Тем самым компенсируется уменьшение напряже­ния за счет возрастания на UС1.

Рассмотрим количественный анализ усилителя с низкочастотной коррекцией по эквивалентной схеме, рис.8.6. Считаем, что выполняется условие Общий коэффициент усиления можно выразить; ,

где - коэффициент передачи делителя ;

- коэффициент усиления каскада, K1=SZн.

При выполнении певого условия, , коэффициент усиления К1 можно выразить

(8.4)

где

Из (8.4) оптимальная частотная характеристика получится при условии

, т. е. . (8.5)

Эффективность низкочастотной коррекции снижается с уменьшением частоты, когда сопротивление становится соизмеримым с . Поэтому определяется из условия равенства этих сопротивлений:

(8.6)

Определим выигрыш по нижней граничной частоте, для чего рассмот­рим отношение:

(8.7)

Из выражения (8.7) следует, что чем больше , тем ниже . Однако чрезмерное увеличение невозможно, так как при этом уве­личивается падение напряжения на нем и уменьшается потенциал выходной цепи . Поэтому обычно выби­рают ориентировочно согласно выражению

. (8.8)

Емкость фильтра Сф рассчитывается из равенства(8.5)

. (8.9)

Низкочастотная коррекция находит широкое применение в им­пульсных и широкополосных усилителях для уменьшения спада плоской вершины.

Лекция №9

Выходные каскады усилителей

9.1. Общие сведения о выходных каскадах

Выходной или оконечный каскад обычно служит для усиления сигнала по мощности. Основной отличительной чертой выходных каскадов, в отличие от предварительных, является высокий уровень входного и выходного сигналов, т. е. выходные каскады работают в режиме сильного сигнала. Причем выходной сигнал может быть выражен либо номинальной выходной мощностью при активной нагрузке, либо номинальным выходным напряжением при реактивной нагрузке.

Каскады, характеризующиеся выходной мощностью, принято называть усилителями мощности, а каскады, характеризующиеся выходным напряжением, называют выходными усилителями напряжения. Усилитель мощности должен развивать в задан­ной нагрузке требуемую мощность при наименьшей потребляемой энергии и допустимых нелинейных искажениях. Следовательно, усили­тель мощности характеризуется следующими основными параметрами: выходной мощностью на нагрузке; коэффициентом полезного действия и коэффициентом нелинейных искажений.

Нагрузкой выходного усилителя радиовещательной аппаратуры является акустическая система с небольшим сопротивлением (4 или 8 Ом). Для передачи максимальной мощности необходимо согласовывать сопро­тивление нагрузки с выходным сопротивлением усилителя. Поэтому усилители мощности часто строятся по трансформаторной схеме.

На вход усилителя мощности поступает сигнал с большой ампли­тудой, охватывающий всю рабочую область входной характеристики усилительного элемента, вследствие чего его параметры меняются в широких пределах. Поэтому расчет усилителя мощности проводится графо-аналитическим методом, так как аналитические расчеты с использованием параметров усилительного элемента в рабочей точке дают большую погрешность.

Выделяющаяся в усилительном элементе электрическая энергия преобразовывается в тепловую и нагревает коллектор, поэтому для обеспечения надежной работы надо в мощных усилителях предус­матривать системы охлаждения. Для охлаждения применяются радиаторы, продув воздушной струей и водяное охлаждение. Последние два мето­да применяются только в мощных усилителях передающих устройств, где выходная мощность достигает сотен Вт. Радиаторы часто приме­няются в выходных усилителях, построенных на транзисторах.

, (9.1)

где Р - мощность, выделяемая на транзисторе;

- допустимая температура перехода;

- максимальная температура окружающей среды;

R - тепловое сопротивление перехода корпуса.

9.2. Способы построения однотактных выходных каскадов

При построении выходных каскадов, прежде всего надо правильно выбрать способ подключения внешней нагрузки. Простейшим способом является непосредственное включение внешней нагрузки в выходную цепь, рис.9.1.

Рис.9.1. Выходной каскад с непосредственным включением нагрузки.

Такая схема включения нагрузки отличается простотой, отсутствием дополнительных элементов, потерь и нелинейных искажений. Однако при этом в однотактном каскаде через нагрузку протекает постоянная составляющая выходного тока, что значительно уменьшает КПД. К тому же протекание постоянной состовляющей через акустическую систему недопустимо. В этой схеме сопротивление нагрузки по постоянной и переменной составляющим равны сопротивлению внешней нагрузки: Rн==Rнвн; Rн~= Rнвн

Второй способ подключения нагрузки может быть осуществлен через емкостную связь С1, что устраняет вышеуказанный недостаток, рис.9.2.

Рис.9.2. Выходной каскад с емкостной связью.

Этот способ построения выходных каскадов используется в импульсных усилителях напряжения, в эмиттерных и истоковых повторителях, а также находит широкое применение в операционных усилителях.

В усилителях мощности широкое применение находит трансформаторное включение. Рис.9.3.

Рис.9.3. Выходной каскад с трансформаторной связью.

Трансформатор служит выходным устройством, которое связывает вы­ходную цепь усилителя с внеш­ней нагрузкой и позволяет получить для усилительного элемента оптимальное сопротивление нагрузки, т. е. согласовать выход с соп­ротивлением нагрузки.

Известно, что трансформатор – это преобразователь сопротив­ления:

где и - токи в первичной и вторичной обмотках трансформато­ра;

и - напряжение на соответствующих обмотках;

- коэффициент трансформации;

и - количество витков в соответствующих обмотках.

Пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивление нагруз­ки определяется

. (9.2)

Из (9.2) можно сделать вывод, что в случае применения трансформаторной связи можно достигнуть максимальной передачи мощности и значительно повысить КПД. Однако использование трансформатора увеличивает габариты и вес, а также вносит дополнительные частотные и нелинейные искажения.

Через первичную обмотку трансформатора, включаемую в выходную цепь, подается напряжение питания на коллектор, а к вторичной обмотке подключают внешнюю нагрузку. Переменная составляющая выходного тока, проходя через первичную обмотку, создает на ней напряжение сигнала, трансформирующееся во вторичную обмотку и подающееся на внешную нагрузку.

9.3. Эквивалентная схема трансформаторного каскада

Эквивалентная схема трансформаторного каскада в основном определяется эквивалентной схемой трансформатора (рис.9.4.)

Рис.9.4.Эквивалентная схема трансформаторного каскада.

где r1 и r2 - сопротивления потери пер­вичной и вторичной обмоток; и - индуктивности рассеяния;

L1 - индуктивность первичной обмотки; L¢s2, r¢2, U¢вых, R¢н, C¢0 - па­раметры, приведенные в цепь первичной обмотки трансформатора и оп­ределяемые из следующих выражений:

Трансформатор является элементом связи. Он имеет сердечник из ферромагнитного материала, который позволяет при небольших размерах трансформатора полу­чать большую основную индуктивность L1 и малую индуктивность рассея­ния, что необходимо для нормальной работы схемы. Трансформатор создает связь по переменной составляющей и вмес­те с тем изолирует внешую нагрузку от постоянной составляющей.

Полученная эквивалентная схема сложна, и подробный анализ приво­дит к громоздким выражениям. Поэтому целесообразно произвести обоснованные упрощения.

Очевидно, что в области низких частот основное влияние на рабо­ту усилителя оказывает индуктивность L1, так как ее индуктивное сопротивление убывает по мере понижения частоты и шунтирует вы­ход схемы. В области высоких частот выход схемы шунтируется ем­костями, и, кроме того, здесь выходное напряжение убывает вслед­ствие возрастания сопротивления индуктивностей рассеяния. Поэто­му для получения равномерного участка амплитудно-частотной харак­теристики в области средних частот параметры схемы должны быть выбраны так, чтобы на средних частотах все реактивные элементы оказывали на работу схемы пренебрежимо слабое влияние. Для этого должны быть обеспечены большое значение индуктивности первичной обмотки, малые значения индуктивностей рассеяния и малое значе­ние шунтирующей емкости.

Для выходных усилителей в цепях максимальной отдачи мощнос­ти очень важен правильный выбор рабочего режима, напряжения пита­ния, сопротивления нагрузки и амплитуды входного сигнала. Однотактные выходные каскады работают в режиме А.

9.4. Выходные динамические характеристики

Динамические характеристики усилителя применяются для гра­фоаналитического расчета и анализа выходных каскадов. Различают следующие динамические характеристики:

-  выходная динамическая характеристика по постоянному току;

-  выходная динамическая характеристика по переменному току;

-  входные, сквозные и проходные динамические характеристики.

Наиболее широко применяются первые два вида динамических характеристик, которые рассмотрим подробнее.

Выходной динамической характеристикой (ВДХ) называют зависи­мость выходного тока от выходного напряжения при наличии нагруз­ки в выходной цепи. Поскольку эти характеристики имеют прямую линию, их называют нагрузочными прямыми. Уравнением выходной цепи является Uвых=Е-iвыхRн. Это линейное уравнение, графиком которого является прямая линия.

Для построения нагрузочной прямой по постоянному току ис­пользуются выходные статические характеристики усилительного эле­мента, а также при этом считаются заданными напряжение источника питания и сопротивление нагрузки. Причем различают сопротивление нагрузки по постоянному току и по переменному току . Соп­ротивление нагрузки в трансформаторном усилителе по переменному току значительно больше . В трансформаторном усилителе (рис.9.3.) имеет место:

(9.3.)

где r1 и r¢2 - сопротивление потери в первичной и во вторичной обмотках; - пересчитанное в цепь первичной обмотки сопротивле­ние нагрузки, равное . При коэффициенте трансформации , величина будет значительно выше , поэтому в трансформаторных усилителях будет выполняться соотношение .

9.5. Построение ВДХ для каскада с емкостной связью

При построении нагрузочной прямой различают ВДХ по постоянному току, в которой используется нагрузочное сопротивление по постоянному току Rн=, и ВДХ по переменному току, в которой используется Rн~. В начале построим нагрузочную прямую по постоянному току, уравнением которой является

Uвых=Е-iвыхRн=. (9.4)

Уравнением нагрузочной прямой по постоянному току является линейное уравнение (9.4). Следовательно, для построения этой ха­рактеристики перерисуем из справочника выходную статическую характеристику для выбранного транзистора. Для построения нагрузочной прямой достаточно определить две точки:

1. на горизонтальной оси

2. на вертикальной оси

Через эти точки проводим выходную динамическую характеристику по пос­тоянному току. Наклон нагрузочной прямой зависит от сопротивле­ния нагрузки , рис.9.5.

Рис.9.5. Нагрузочная прямая по постоянному току

С помощью нагрузочной прямой по постоянному току определяют рабочую точку в выходной цепи. Рабочая точка определяется как точка пересечения найденной нагрузочной прямой со статической ха­рактеристикой, соответствующей заданному смещению на управляющем электроде. Опустив перпендикуляры из рабочей точки на вертикальную и гори­зонтальную оси, находят постоянные составляющие тока и напря­жения выходной цепи.

Рассмотрим нагрузочную прямую или выходную динамическую ха­рактеристику по переменному току, уравнением которой является Uвых=Е-iвыхRн~,

где .

При подаче на вход усиливаемого сигнала, имеем:

(9.5)

Из выражения (9.5) видно, что нагрузочная прямая по пере­менному току проходит также через рабочую точку и пересекается в ней с нагрузочной прямой по постоянному току, поэтому эту точку используют для построения нагрузочной прямой по переменному току.

Нагрузочную прямую по переменному току можно построить по двум точкам пересечения с горизонтальной и верти­кальной осями (рис.9.6).

В этом случае из уравнения (9.5) получим

Рис.9.6. Нагрузочная прямая по переменному току для резисторного усилителя

9.6. Построение ВДХ для трансформаторного каскада

Построим нагрузочные прямые для трансформаторного каскада. Сопротивление постоянной составляющей то­ка выходной цепи этого каскада, равное Rн==r1 , близко к нулю, так как сопротивление потери первичной обмотки незначительно. Поэ­тому нагрузочную прямую по постоянному току для трансформаторного каскада строят перпендикулярно горизонтальной оси из точки Е. Определим рабочую точку как точку пересечения ВДХ= с соответствующей статистической характеристикой. При известном значении , находим на горизонтальной оси точку Uвых= и проводим нагрузочную пря­мую по переменному току по двум найденным точкам, рис.9.7а.

Рис.9.7. Нагрузочная прямая по переменному току для трансформаторного усилителя:

а – построение; б – расчет.

Выходные динамические характеристики используются для графи­ческого расчета усилителей мощности. Зная амплитуду усиливаемого сигнала на управляющем электроде, по нагрузочной прямой опреде­ляем амплитудные значения тока выходной цепи и выходного нап­ряжения , полезную выходную мощность , пот­ребляемую мощность , коэффициент полезного действия η=P~/P0 и коэффициент гармоник